[发明专利]一种可控厚度的卯榫结构纳米孔的制备方法

说明书

本发明提供了一种可控厚度的卯榫结构纳米孔的制备方法，其制备的可控厚度的卯榫结构纳米孔为基于近零厚度纳米孔的卯榫结构纳米孔，其包括上下两个垂直的纳米通道和中间一个纳米孔，所述可控厚度的卯榫结构纳米孔通过二氟化氙XeFsubgt;2/subgt;刻蚀上下两层硅纳米线形成两个垂直的纳米通道。本发明可控厚度的卯榫结构纳米孔通过调节中间纳米孔的厚度可以调节该纳米孔的空间分辨率；通过增加上下两层纳米通道的厚度，提高了纳米孔的信噪比和稳定性。

技术领域

本发明属于纳米孔制备技术领域，具体涉及一种可控厚度的卯榫结构纳米孔的制备方法。

背景技术

基于纳米孔的DNA/RNA测序技术具有速度快、成本低、高通量、准确度高等优点。目前，基于生物纳米孔的DNA测序已经实现了单碱基分辨率，然而生物纳米孔的尺寸相对固定，在膜稳定性和大规模阵列制作方面存在不足，限制了生物纳米孔的更广泛开发和应用。具有可调孔径和高稳定性的固态纳米孔拓宽了基于纳米孔检测的目标生物分子的范围。

目前，固态纳米孔传感存在两个重要问题：较低的时间分辨率和空间分辨率。传统的固态纳米孔衬底主要有氧化硅、氮化硅、氧化铝等，并且它们的厚度通常在几十纳米的范围内，最短的氮化硅纳米孔是3纳米。然而，两个相邻核苷酸之间的距离只有0.32纳米～0.52纳米。如果膜太厚，一次会有多个碱基在纳米孔内，通过堵塞电流很难识别单个碱基。因此，提高纳米孔对DNA的空间分辨率，实现单碱基识别成为固态纳米孔测序技术领域的研究热点。现在普遍认为，膜越薄，空间分辨率越高。通过引入石墨烯、氮化硼和二硫化钼等二维材料，实现了旨在缩短纳米孔长度的革命性突破。但是较差的机械稳定性和复杂的制造过程在一定程度上限制了该技术在测序中的广泛应用。

另一种高分辨率纳米孔是近零厚度纳米孔。近零厚度纳米孔是两个纳米通道垂直相交在界面上形成的，它在数学上是零厚度的，因此具有较高的空间分辨率。2013年，Luan等通过有限元模拟对近零厚度纳米孔进行了理论分析。他们的理论分析结果表明，通过近零厚度纳米孔的离子电流只与施加的电压和纳米孔有效面积大小有关，而与膜的厚度没有太大关系。近零厚度纳米孔具有与单层石墨烯纳米孔相似的电学特性和亚纳米空间分辨率。2018年，Schneider等人通过在聚合物板中蚀刻两个重叠的金纳米棒形成近零厚度纳米孔，表现出优异的机械性能和低噪声水平。2020年，王德强等人申请的专利(中国专利CN111440855A，2020年4月7日申请)中也提出了利用二氟化氙XeF₂将两层硅纳米线刻蚀掉制备近零厚度纳米孔的方法，但是在我们前期的仿真分析中发现，在直径差异为0.2纳米的圆柱体通过近零厚度纳米孔时，产生的阻塞电流差异较小，这样可能导致结构不能被区分。

发明内容

基于现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种可控厚度的卯榫结构纳米孔的制备方法，其为一种高分辨率、高稳定性、低噪声、易于规模化生产的可控厚度的卯榫结构纳米孔器件的制备方法。

依据本发明的技术方案，提供一种可控厚度的卯榫结构纳米孔的制备方法，其包括以下步骤：

步骤S1，准备氮化硅薄膜衬底；

步骤S2，制备第一条硅纳米线；

步骤S3，生长二氧化硅薄膜。

其中，步骤S2制备第一条硅纳米线具体包括以下步骤：利用电子束光刻技术和灰化工艺或侧墙工艺在氮化硅薄膜衬底上形成硅纳米孔线，硅纳米线长度为100纳米-200纳米之任一长度，宽度为5纳米-40纳米之任一宽度，厚度为10纳米-40纳米之任一厚度。

其进一步包括以下步骤：

步骤S4，进行化学机械抛光，利用化学机械抛光方法将硅纳米线曝露出来；

步骤S5，沉积Al₂O₃薄膜，在二氧化硅薄膜上面通过原子层沉积技术沉积一层Al₂O₃薄膜；